Експериментальна фізика

З дитинства людину тягне все незрозуміле і загадкове. А якщо вдається трохи наблизитися хоча б до однієї з розгадок, це доставляє величезну радість, дарує масу позитивних емоцій, а отже, збільшує тривалість життя.

У наступному завданні ми пропонуємо вам фокуси і експерименти, які задовольнять цікавість кожного. Перегляньте відео та розгадайте секрети фізичних «фокусів».

Поширене переконання, що бутерброд практично завжди падає намазаною частиною вниз. Воно не позбавлене підстав:

Зсув центру ваги бутерброда до тієї сторони, на якій лежить масло.

Можливе пояснення: якщо бутерброд впаде хлібом вниз, то він може відскочити і перевернутися.

І, нарешті, психологічний ефект: падіння бутерброда намазаною стороною вниз викликає більше негативних емоцій і, отже, краще відкладається в пам'яті.

Аеродинамічні якості намазаного боку вище, чим не намазаного, через присутність у хлібі пір. Тому шанс на перевертання бутерброда при падінні не намазаним боком вниз вище, ніж намазаним

Завдання: довести чи спростувати таке переконання. Експеримент проведіть з маслом, спредом та маргарином. Зробіть висновки.

Роботу оформіть у вигляді презентації або відео.

Всього за виконання Завдання 4 ви зможете отримати до 10 балів:

• Надісланий матеріал збережено у форматі PowerPoint або у відео форматі (2 бала)

• У надісланому матеріалі повністю описано даний експеримент (5 балів)

• У відповіді є правильне пояснення експерименту (3 бала)

Відповідь надсилайте на адресу організатора квесту. Відеоматеріали можна розмістити на YouTube та надіслати посилання.

Відповіді

Завдання 1

Сучасний словник іноземних слів (1994) містить таке визначення: експеримент − це 1) науково поставлений досвід, спостереження досліджуваного явища в науково враховуються умовах, що дозволяють стежити за ходом явища і багаторазово відтворювати його при повторенні цих умов; 2) взагалі досвід, спроба здійснити що-небудь. Велика Радянська енциклопедія додає: Різні види спостереження, які супроводжуються активним досліджуванням об’єкта, експеримент здійснюється на основі теорії, визначає постановку завдань та інтерпретації його результатів. Експеримент − планомірне проведення спостереження.

У науці експеримент використовується для отримання знань, невідомих людству в цілому. У процесі навчання він застосовується для отримання знань, невідомих даній конкретній людині.

Експериме́нт (англ. experiment) — метод вивчення, який полягає у викликанні визначеного явища (чи його зміну) в штучно створених (лабораторних) умовах з метою дослідження і з'ясування процесу його розвитку. Спроба, дослід, які потребують підтвердження чи спростування, форма пізнання, один з основних методів наукового дослідження, в якому вивчення явищ відбувається в доцільно вибраних або штучно створених умовах, що забезпечують появу тих процесів, спостереження яких необхідне для встановлення закономірних зв'язків між явищами. Важливими характеристиками експерименту є його надійність та валідність.

Експеримент відрізняється від спостереження активною взаємодією з досліджуваним об'єктом. Зазвичай, експеримент проводиться в рамках наукового дослідження і слугує для перевірки гіпотези, встановлення причинно-наслідкових зв'язків між явищами.

Розрізняють пасивний експеримент та активний експеримент

10 найкрасивіших за всю історію фізичних експериментів:

1. Експеримент Ератосфена Киренського

Один з найдавніших відомих фізичних експериментів, в результаті якого було виміряно радіус Землі, був проведений в III столітті до нашої ери бібліотекарем знаменитої Александрійської бібліотеки Ерастофеном Кіренським. Схема експерименту проста. Опівдні, в день літнього сонцестояння, в місті Сієні (нині Асуан) Сонце перебувало в зеніті і предмети не відкидали тіні. У той же день і в той же час в місті Александрії, розташованому в 800 кілометрах від Сієна, Сонце відхилялося від зеніту приблизно на 7°. Це становить близько 1/50 повного кола (360°), звідки виходить, що окружність Землі дорівнює 40000 кілометрів, а радіус 6300 кілометрів. Майже неймовірним видається те, що виміряний настільки простим методом радіус Землі виявився всього на 5% менше значення, отриманого найточнішими сучасними методами.

2. Експеримент Галілео Галілея

У XVII столітті панувала думка Арістотеля, який учив, що швидкість падіння тіла залежить від його маси. Чим важче тіло, тим швидше воно падає. Спостереження, які кожен з нас може проробити у повсякденному житті, здавалося б, підтверджують це. Спробуйте одночасно випустити з рук легку зубочистку і важкий камінь. Камінь швидше торкнеться землі. Подібні спостереження привели Арістотеля до висновку про фундаментальну властивість сили, з якою Земля притягує інші тіла. Насправді на швидкість падіння впливає не тільки сила тяжіння, а й сила опору повітря. Співвідношення цих сил для легких предметів і для важких різне, що і призводить до спостережуваного ефекту.

Італієць Галілео Галілей засумнівався в правильності висновків Арістотеля і знайшов спосіб їх перевірити. Для цього він скидав з Пізанської вежі в один і той же момент гарматне ядро і значно легшу мушкетну кулю. Обидва тіла мали приблизно однакову обтічну форму, тому і для ядра, і для кулі сили опору повітря були дуже малі в порівнянні з силами тяжіння. Галілей з'ясував, що обидва предмети досягають землі в один і той же момент, тобто швидкість їх падіння однакова.

Результати, отримані Галілеєм. - Наслідок закону всесвітнього тяжіння і закону, відповідно до якого прискорення тіла прямо пропорційне силі, що діє на нього, і обернено пропорційно масі.

3. Інший експеримент Галілео Галілея

Галілей заміряв відстань, яку кулі, що котяться по похилій дошці, долали за рівні проміжки часу, виміряний автором досвіду по водяним годинах.

Учений з'ясував, що якщо час збільшити в два рази, то кулі прокотяться в чотири рази далі. Ця квадратична залежність означала, що кулі під дією сили тяжіння рухаються прискорено, що суперечило приймали на віру протягом 2000 років твердженням Аристотеля про те, що тіла, на які діє сила, рухаються з постійною швидкістю, тоді як якщо сила не прикладена до тіла, то воно покоїться. Результати цього експерименту Галілея, як і результати його експерименту з Пізанської вежею, надалі послужили основою для формулювання законів класичної механіки.

4. Експеримент Генрі Кавендіша

Після того як Ісаак Ньютон сформулював закон всесвітнього тяжіння: сила тяжіння між двома тілами з масами Міт, віддалених один від одного на відстань r, дорівнює F=g(mM/r2), залишалося визначити значення гравітаційної постійної g. Для цього потрібно було виміряти силу тяжіння між двома тілами з відомими масами. Зробити це не так просто, тому що сила тяжіння дуже мала. Ми відчуваємо силу тяжіння Землі. Але відчути тяжіння навіть дуже великий опинилася поблизу гори неможливо, оскільки воно дуже слабо.

Потрібен був дуже тонкий і чутливий метод. Його придумав і застосував в 1798 році співвітчизник Ньютона Генрі Кавендіш. Він використовував крутильні ваги - коромисло з двома кульками, підвішене на дуже тонкому шнурку. Кавендіш вимірював зміщення коромисла (поворот) при наближенні до кульок ваги інших кульок більшої маси. Для збільшення чутливості зміщення визначалося за світловими зайчиками, відбитими від дзеркал, закріплених на кулях коромисла. В результаті цього експерименту Кавендішу вдалося досить точно визначити значення гравітаційної константи і вперше обчислити масу Землі.

5. Експеримент Жана Бернара Фуко

Французький фізик Леон Фуко в 1851 році експериментально довів обертання Землі навколо своєї осі за допомогою 67-метрового маятника, підвішеного до вершини купола паризького Пантеону. Площина гойдання маятника зберігає незмінне положення по відношенню до зірок. Спостерігач же, який знаходиться на Землі і обертається разом з нею, бачить, що площина обертання повільно повертається в бік, протилежний напрямку обертання Землі.

6. Експеримент Ісаака Ньютона

У 1672 році Ісаак Ньютон проробив простий експеримент, описаний у всіх шкільних підручниках. Зачинивши віконниці, він зробив у них невеликий отвір, крізь який проходив сонячний промінь. На шляху променя була поставлена призма, а за призмою - екран. На екрані Ньютон спостерігав "веселку": білий сонячний промінь, пройшовши через призму, перетворився на кілька кольорових променів - від фіолетового до червоного. Це явище називається дисперсією світла.

Сер Ісаак був не першим, хто спостерігав це явище. Вже на початку нашої ери було відомо, що великі монокристали природного походження мають здатність розкладати світло на кольори. Перші дослідження дисперсії світла в дослідах зі скляною трикутною призмою ще до Ньютона виконали англієць Харіот і чеський природодослідник Марці.

Проте до Ньютона такі спостереження не піддавалися серйозному аналізу, а зроблені на їх основі висновків не перевірялися додатковими експериментами. І Харіот, і Марці залишалися послідовниками Арістотеля, який стверджував, що різниця в кольорі визначається різницею в кількості темноти, "домішується" до білого світу. Фіолетовий колір, за Арістотелем, виникає при найбільшому додаванні темноти до світла, а червоний - при найменшому. Ньютон же виконав допол¬нітельние досліди зі схрещеними призмами, коли світло, пропущене через одну призму, проходить потім через іншу. На підставі проведених дослідів він зробив висновок про те, що "ніякого кольору не виникає з білизни і чорноти, змішаних разом, крім проміжних темних; кількість світла не змінює виду кольору". Він показав, що біле світло треба розглядати як складову. Основними ж є кольори від фіолетового до червоного.

Цей експеримент Ньютона слугує чудовим прикладом того, як різні люди, спостерігаючи одне і те ж явище, інтерпретують його по-різному і лише ті, хто піддає сумніву свою інтерпретацію і ставить додаткові досліди, приходять до правильних висновків.

7. Експеримент Томаса Юнга

До початку XIX століття переважали уявлення про корпускулярну природу світла. Світло вважали складається з окремих частинок - корпускул. Хоча явища дифракції та інтерференції світла спостерігав ще Ньютон ("кільця Ньютона"), загальноприйнята точка зору залишалася корпускулярної.

Розглядаючи хвилі на поверхні води від двох кинутих каменів, можна помітити, як, накладаючись один на одного, хвилі можуть інтерферувати, тобто взаємогасити або взаємопідсилювати один одного. Ґрунтуючись на цьому, англійський фізик і лікар Томас Юнг проробив в 1801 році досліди з променем світла, який проходив через два отвори в непрозорому екрані, утворюючи, таким чином, два незалежних джерела світла, аналогічних двом кинутим у воду каменям. В результаті він спостерігав інтерференційну картину, що складається з чергуються темних і білих смуг, яка не могла б утворитися, якби світло складалося з корпускул. Темні смуги відповідали зонам, де світлові хвилі від двох щілин гасять один одного. Світлі смуги виникали там, де світлові хвилі взаємопідсилювалися. Таким чином було доведено хвильову природу світла.

8. Експеримент Клауса Йонссона

Німецький фізик Клаус Йонссон провів в 1961 році експеримент, подібний до експерименту Томаса Юнга з інтерференції світла. Різниця полягала в тому, що замість променів світла Йонссон використав пучки електронів. Він отримав інтерференційну картину, аналогічну тій, що Юнг спостерігав для світлових хвиль. Це підтвердило правильність положень квантової механіки про змішану корпускулярно-хвильову природу елементарних частинок.

9. Експеримент Роберта Міллікена

Уявлення про те, що електричний заряд будь-якого тіла дискретний (тобто складається з більшого чи меншого набору елементарних зарядів, які вже не підлягають дробленню), виникло ще на початку XIX століття і підтримувалося такими відомими фізиками, як М. Фарадей і Г. Гельмгольц. У теорію було введено термін "електрон", що позначав якусь частинку - носій елементарного електричного заряду. Цей термін, проте, був у той час чисто формальним, оскільки ні сама частинка, ні пов'язаний з нею елементарний електричний заряд не були виявлені експериментально. У 1895 році К. Рентген під час експериментів з розрядною трубкою виявив, що її анод під дією летять з катода променів здатний випромінювати свої, Х-промені, або промені Рентгена. У тому ж році французький фізик Ж. Перрен експериментально довів, що катодні промені - це потік негативно заряджених частинок. Але, незважаючи на колосальний експериментальний матеріал, електрон залишався гіпотетичною частинкою, оскільки не було жодного досвіду, в якому брали б участь окремі електрони.

Американський фізик Роберт Міллікен розробив метод, що став класичним прикладом витонченого фізичного експерименту. Міллікену вдалося ізолювати в просторі декілька заряджених крапельок води між пластинами конденсатора. Висвітлюючи рентгенівськими променями, можна було злегка іонізувати повітря між пластинами і змінювати заряд крапель. При включеному полі між пластинами крапля повільно рухалася вгору під дією електричного притягання. При вимкненому полі вона опускалася під дією гравітації. Включаючи і вимикаючи поле, можна було вивчати кожну з підвішених між пластинами крапель протягом 45 секунд, після чого вони випаровувалися. До 1909 року вдалося визначити, що заряд будь крапельки завжди був цілим кратним фундаментальній величині е (заряд електрона). Це було переконливим доказом того, що електрони являють собою частинки з однаковими зарядом і масою. Замінивши краплі вони краплями масла, Міллікен отримав можливість збільшити тривалість спостережень до 4,5 години і в 1913 році, виключивши один за іншим можливі джерела похибок, опублікував перше виміряне значення заряду електрона: е = (4,774 ± 0,009) х10-10 електростатичних одиниць.

10. Експеримент Ернста Резерфорда

До початку XX століття стало зрозуміло, що атоми складаються з негативно заряджених електронів і якогось позитивного заряду, завдяки якому атом залишається в цілому нейтральним. Однак припущень про те, як виглядає ця "позитивно-негативна" система, було занадто багато, в той час як експериментальних даних, які дозволили б зробити вибір на користь тієї чи іншої моделі, явно бракувало. Більшість фізиків прийняли модель Дж.Дж.Томсона: атом як рівномірно заряджена позитивна куля діаметром приблизно 108 см з плаваючими всередині негативними електронами.

У 1909 році Ернст Резерфорд (йому допомагали Ганс Гейгер і Ернст Марсден) поставив експеримент, щоб зрозуміти дійсну структуру атома. У цьому експерименті важкі позитивно заряджені а-частинки, які рухаються зі швидкістю 20 км / с, проходили через тонку золоту фольгу і розсіювалися на атомах золота, відхиляючись від первинного напряму руху. Щоб визначити ступінь відхилення, Гейгер і Марсден повинні були за допомогою мікроскопа спостерігати спалахи на пластині сцинтилятора, що виникали там, де в пластину потрапляла а-частинка. За два роки було підраховано близько мільйона спалахів і доведено, що приблизно одна частинка на 8000 в результаті розсіювання змінює напрям руху більш ніж на 90 ° (тобто повертає назад). Такого ніяк не могло відбуватися в "рихлому" атомі Томсона. Результати однозначно свідчили на користь так званої планетарної моделі атома - масивне крихітне ядро розмірами приблизно 10-13 см і електрони, що обертаються навколо цього ядра на відстані близько 10-8 см.

На межі фізики, хімії та інженерних наук виникла і швидко розвивається така галузь науки як матеріалознавство. Фізичні методи та інструменти використовуються хімією, що призвело до становлення двох напрямків досліджень: фізичної хімії та хімічної фізики. Дедалі потужнішою стає біофізика — область досліджень на межі між біологією та фізикою, в якій біологічні процеси вивчаються виходячи з атомарної структури органічних речовин. Геофізика вивчає фізичну природу геологічних явищ. Медицина використовує фізичні методи, такі як рентгенівські та ультразвукові дослідження, ядерний магнітний резонанс — для діагностики, лазери — для лікування хвороб очей, ядерне опромінювання — в онкології тощо.

На сьогоднішній день не існує практично ніяких результатів дослідження особливостей біомеханіки стосовно до польоту комах у дощ. Вчені розраховують, що проведені спостереження можуть покласти початок більш уважного вивчення подібної теми. Дослідження в цьому напрямку можуть стати надзвичайно корисними, оскільки в майбутньому стане можливо говорити про створення мініатюрних літальних апаратів.

Весь "фокус" полягає у фундаментальному принципі термодинамічної потенціалу, тобто будь-яка фізична тіло природи прагне до збереження найнижчого енергетичного потенціалу з усіх можливих енергетичних станів.

Пояснення

Повітря займає певний об'єм. У склянці є повітря, в якому б становищі воно не знаходилося. Коли ви перевертаєте стакан догори дном і повільно опускаєте в воду, повітря залишається в стакані. Вода із-за повітря не може потрапити в склянку. Тиск повітря виявляється більше, ніж тиск води, яка прагне проникнути всередину склянки. Рушник на дні склянки залишається сухим. Якщо стакан під водою перевернути набік, повітря у вигляді бульбашок буде виходити з нього. Тоді зможе потрапити в склянку.